Concentradores Solares

Concentradores Solares Índice 1

1 - Introdução 2

2 - Processos De Utilização Da Energia Solar 4 2.1 - Colectores solares 4

2.2 - Um colector solar 4 2.3 - Funcionamento Básico 7 2.4 - Eficiência de um colector 8 2.4 - Propriedades Físicas 9

2.5 - Materiais dos colectores/concentradores 10 3 - Tipos de concentradores 11

3.1 - Concentradores parabólicos Compostos 11 3.2 - Colectores em espiral ou "concha" 13 3.3 - Colectores evacuados 13

3.5 - Concentradores parabólicos "Dish Collectors" 19 3.6 - Torres de Concentração 22

3.7 - Análise das eficiências de alguns colectores parabólicos 24 5 - Manutenção 27

6 - Bibliografia 28 1 - Introdução

Dada a influência negativa da actividade humana no ambiente, tem havido uma crescente consciencialização e uma mudança de mentalidade em relação a este, a nível mundial, como se pode verificar pela política de racionalização de utilização da energia e de conservação dos recursos energéticos. Constantes medidas de intervenção têm sido discutidas em diferentes organismos institucionais, bem como nas diversas conferências promovidas por um Painel Intergovernamental para as Alterações Climáticas, de maneira a elaborarem um quadro energético mundial que atribui maior ênfase à utilização de energias endógenas em detrimento de energia proveniente de fontes fósseis. Estas medidas são tomadas numa perspectiva de uma "Aldeia Global" mais limpa, onde actualmente prevalece um conceito de crescimento, que muitos denominam "economia do carbono" que deverá ser substituída por um conceito de desenvolvimento, a qual tem como ponto fundamental a qualidade, limitando a quantidade. 

Nos anos 70 o grande impulso que as fontes renováveis de energia tiveram foi em função do boicote e altos preços que o petróleo alcançou. Hoje em dia, existe um novo estímulo para as fontes renováveis em função do possível esgotamento das fontes convencionais e também no aspecto limpo destas energias em relação ao meio ambiente.  A energia solar é o protótipo de uma fonte energética inofensiva para o meio ambiente. Ela não consome nenhum das nossas preciosas fontes de energia, nem contribui para a poluição das águas, ar ou mesmo risco para a saúde das pessoas, como também não tem resíduos. 

É neste âmbito que surge a necessidade de implementar e desenvolver tecnologias que permitam aproveitar todas as potencialidades provenientes da fonte principal de energia da Terra: O Sol.

A energia solar pode ser facilmente convertida em calor, e deste modo poderá constituir uma alternativa ideal para o aquecimento doméstico de água, face aos sistemas eléctricos, principalmente nos países cuja radiação solar atinge índices consideráveis. Portugal está englobado no role dos países que têm a radiação solar como uma fonte endógena de riquíssimo valor. Segundo as mais recentes publicações existem pontos no território português em que a potência de radiação solar atinge os 8kWh/m2 dia e em média e no que toca a disponibilidade solar, possui entre 2200 e 3000 horas de sol anualmente e um dos níveis mais favoráveis de transparência ou claridade da atmosfera.  O método mais utilizado, e mais entendido, e cuja tecnologia tem sido desenvolvida de maneira a tornar mais eficiente a conversão de energia solar em calor para aquecimento de água, tanto para elevadas temperaturas como para mais baixas, é o colector solar, que tanto poderá aquecer água, ar ou até mesmo outros fluidos. No entanto existe uma enorme variedade de colectores que se estende desde os comuns colectores solares planos, até aos concentradores que permitem uma maior transferência de calor para o fluido, aumentando consideravelmente a temperatura deste. Diferentes tipos de colectores têm sido construídos e testados por diversos investigadores na última metade do século XX. O objectivo principal destes estudos é o de tentar converter o máximo de radiação

solar em calor, ou seja aumentar a eficiência de conversão, mas num sistema que vise um baixo investimento em material e trabalho.

Se nos cingirmos apenas a Inglaterra, a maior pesquisa neste campo de aplicação foi levada a cabo por um

professor, Harold Heywod, que em meados de século passado, mais propriamente em 1947, se propôs a estudar a absorção de radiação solar para aquecimento de água, através de um modelo por ele elaborado, o qual permitiu definir a quantidade de calor absorvido mediante diferentes temperaturas colectadas e diferentes tipos de placas de vidro. Actualmente, os resultados deste estudo ainda são a base para a elaboração dos colectores domésticos. Nessa altura Heywood chegou a determinadas conclusões, que continuam a ser relevantes nos tempos que correm que são:

* A simplicidade de construção deve ser um requisito dos colectores solares.

* Apenas se obtêm eficiências aceitáveis de colecção de calor para grandes períodos de radiação directa intensa. Períodos de céu nublado reduzem drasticamente esta eficiência. 

2 - Processos de Utilização da Energia Solar

O Sol fornece energia que pode ser aproveitada basicamente por 3 tipos de processos que seriam: Térmico, Fotovoltáico e Químico. No processo Térmico temos o aproveitamento em baixa, média e alta temperatura. No processo Fotovoltáico parte do princípio que determinados materiais são sensíveis a luz, transformando-a em electricidade. Finalmente no processo fotoquímico é o que ocorre na natureza com a maioria dos vegetais, a Fotossíntese. 

2.1 - Colectores solares 

O aquecimento com energia solar não é tão fácil como se pode pensar. Receber a luz do sol e dela obter trabalho tem suas dificuldades, pois a energia que atinge o planeta difunde-se por toda a superfície terrestre. Além disso a energia solar que será aproveitada dependerá sempre de muitos factores climatológicos da zona onde está instalado o equipamento, onde se incluem a hora do dia, a estação do ano, a latitude do local e se o céu está limpo ou nublado. O colector solar é o dispositivo responsável pela absorção e transferência da radiação solar para um fluido sob a forma de energia térmica e é neste ponto que difere do painel fotovoltaico, o qual serve para gerar electricidade. São muito utilizados no aquecimento de água de casas ou edifícios, hospitais, piscinas, para climatização de ambientes e processos industriais de aquecimento.

Um exemplo simples de um colector solar é um carro fechado num dia sem nuvens, em que a eficiência de absorção de radiação directa é substancial. A luz do sol passa através dos vidros do carro e é absorvida pelo seu interior, sendo então transformada em calor. Os vidros do carro funcionarão como um isolante, minimizando as trocas de calor com o exterior, tal como um estufa.

Deste modo e possível caracterizar um colector solar por: * Permitir que a luz do sol passe através do vidro (ou plástico).  * Absorver a luz e a transformar em calor. 

* Armazenar o calor absorvido no seu interior (armadilha térmica). 2.2 - Um colector solar

A maioria dos colectores solares têm pelo menos cinco componentes, pelo que sem estes não é possível, nem existem condições para que se consiga converter energia solar em térmica. 

Num colector e em contacto com o ambiente existe uma cobertura transparente que poderá ter uma ou mais

camadas de vidro ou um plástico concebido de maneira a, por um lado conservar o calor no interior do colector e por outro deixar passar toda a radiação que atinge a sua superfície(radiation-transmitting plastic). No interior, tubos, canais ou até mesmo alhetas no caso de aquecimento de ar, poderão estar inseridos na placa de absorção de calor do colector ou em contacto com esta, e são nestes canais que escoam a água, ar ou outros fluidos que se estejam a utilizar. A placa que irá absorver a radiação(Absorber plate) normalmente é elaborada em metal com uma superfície de cor negra, aumentando assim o seu coeficiente de absorsevidade. No entanto é possível utilizar uma variedade de materiais, especialmente se o colector tem a finalidade de aquecer o ar. De forma a minimizar as perdas por condução e convecção no fundo do colector, costuma-se colocar uma camada de material isolante. Finalmente, existe uma estrutura que contém todos estes componentes e que também tem a funcionalidade de os proteger das

adversidades climatológicas. 

No entanto se os interesses apenas se restringem a aplicações de baixa temperatura, costuma-se omitir a placa isolante, minimizando os custos do colector. É de salientar que estes tipos de colectores têm enorme aplicação a nível doméstico e em piscinas.

Para além do formato das placas que um colector pode ter, é também possível classifica-los, consoante o tipo de aplicações a que são destinados. Normalmente, fracciona-se em três grandes tipos de aplicações:

* Aplicações em que o gradiente de temperatura do fluido não é muito elevado, tal como nas piscinas. O caudal de fluido tem um aumento de temperatura que no máximo poderá atingir os 2º.

* Aquecimento doméstico e outro tipo de aplicações em que o máximo de temperatura requerida não é mais do que os 60º. Neste tipo de aplicações convém que uma placa isolante seja colocado no fundo do colector.

* Aplicações em que é necessário temperaturas superiores a 60º, em que uma análise mais cuidada e elaborada em relação à forma da placa deve ser estabelecida de maneira a reduzir perdas de calor do colector para o exterior - Concentradores.

Nos sistemas de colectores solares com concentração, como o próprio nome pressupõe, terá uma ampliação da quantidade de raios que alcançarão a placa de absorção, elemento receptor de energia. Este placa poderá

apresentar diversos formatos para além da usual placa plana. Dentro dos variados tipos de concentradores o mais comum é o cilíndrico. Os módulos concentradores apresentam igualmente diversos aspectos, normalmente derivado da forma de uma parábola. Os mais conhecidos são em forma de calha e perfil parabólico simples ou composto. A placa de absorção poderá ter uma cobertura selectiva ou não. Ao se utilizar concentradores torna-se possível a obtenção de temperaturas consideravelmente superiores aquelas conseguidas por colectores planos, sendo portanto de uso recomendável para certas aplicações industriais.

Deste modo é facilmente perceptível que comparativamente com os restantes elementos que compõem um equipamento completo para aquecimento de água, as placas de absorção de radiação são a peça mais importante, sendo estas que limitam o aumento de temperatura do fluido.

2.3 - Funcionamento Básico

Um equipamento de aquecimento de água por energia solar é composto pelas tais placas de absorção de calor, que poderão ser colectores ou concentradores solares, consoante as temperaturas que se queira impor no fluido e um reservatório térmico. As placas colectoras são responsáveis pela absorção da radiação solar. O calor das placas é transmitido para a água que circula no interior dos tubos ou canais, os quais, normalmente são projectados em cobre. O reservatório térmico é um recipiente onde é armazenada a água aquecida. São cilindros de cobre ou inox, isolados termicamente com poliuretano expandido sem CFC. Desta forma, a água permanece aquecida e pronta para o uso a qualquer hora do dia. A caixa de água fria alimenta o reservatório, mantendo-o sempre cheio.

Em sistemas mais simples, a água circula entre os colectores e o reservatório através de um mecanismo natural em que a água dos colectores fica mais quente e, por consequência menos densa que a água no reservatório. Assim a água fria "empurra" a água quente gerando a circulação por convecção natural. Esses sistemas são chamados da circulação natural ou termosifão.

Para que este sistema funcione é necessário que o depósito acumulador esteja colocado a um nível superior em relação aos concentradores. Nestes sistema não é necessário nenhum sistema de controlo. 

A circulação da água também pode ser feita através de bombas, sendo então chamado de circulação forçada ou bombeado, que são normalmente mais utilizados em piscinas e sistemas de grandes volumes.

2.4 - Eficiência de um colector 

Um colector ideal seria aquele que possibilitasse que toda a radiação solar que o atingisse fosse totalmente

convertida em calor. Na prática, a quantidade de calor disponível é sempre inferior à que se teria idealmente para a mesma radiação solar incidente. Existem diversos factores que contribuem para tal facto e uma análise mais detalhada das características térmicas do colector seria muito complexa. Por exemplo as perdas de calor por

radiação são proporcionais á quarta potência da temperatura absoluta, sendo que essas perdas são se tornam mais significativas desde o momento que o liquido aquecido atinge uma temperatura superior em 25º em relação à temperatura do ambiente.

No entanto e numa análise simples, é possível definir a importância que certas variáveis têm na performance de um colector. Para se determinar a quantidade de calor útil num colector, por unidade de área, utiliza-se uma equação de nome "Hottel-Willier-Bliss". Esta expressa a quantidade de calor, Q, em função de dois parâmetros: A radiação solar directa incidente no colector, Gc, e a diferença de temperaturas entre o fluido aquecido, Tm, e a temperatura do ar ambiente, Ta 

...

Em que F é um factor referente ao calor realmente transferido do colector solar para o fluido removido. Este factor é directamente influenciado pela forma do colector, como por exemplo as dimensões dos canais por onde circula o fluido, a espessura da placa, ou até mesmo pelas propriedades do fluido circulante. Eventualmente o caudal também poderá influenciar este factor. 

O produto entre o coeficiente de transmissão e absorção ((.() tem de levar em conta com a complexa interacção entre as propriedades ópticas com os comprimentos de onda da radiação. Até por que este produto é 5% superior ao produto directo, devido à radiação que é reflectida inicialmente pelo placa colectora, ser novamente reflectida na cobertura do colector. 

O coeficiente de perda de calor, U, aumenta rapidamente com o também aumento da velocidade do vento, caso não existe a cobertura no colector. Caso esta cobertura esteja colocada este coeficiente já não depende muito destas condições exteriores.

São estes três factores que definem a eficiência térmica de um colector, sendo que esta pode ser obtida pela seguinte relação:

Os valores típicos de F variam entre 0.88 a 0.9, e para duas coberturas de 3mm cada, de vidro, ( toma o valor de 0.9 e ( de 0.7. O coeficiente de perda costuma ser de 3.6.

2.4 - Propriedades Físicas

Os factores referidos anteriormente, que influenciam directamente a eficiência de um colector, são por sua vez afectados pelas características físicas deste.. Destas, as principais estão relacionadas com o tipo e número de coberturas transparentes e com as propriedades da superfície do colector.

O uso de uma ou mais coberturas transparentes reduz drasticamente as perdas de calor para o exterior. Este fenómeno, que resulta do facto de a transmitância das coberturas usadas serem nulas para comprimentos de ondas elevados da radiação emitida pela placa colectora, tem o nome de "greenhouse effect". Para comprimentos de onda baixos, menores do que 3(m, 90% da radiação que atinge a superfície do cobertura é logo transmitida por esta, o restante é reflectido e absorvido. O que é absorvido contribui para o aumento da temperatura da cobertura e então esta erradia novamente tanto da superfície exterior como da interior, contribuindo consequentemente para o aumento da temperatura do fluido. As coberturas de plástico também têm estas características para baixos comprimentos de onda, mas para grandes comprimentos de onda têm um apreciável coeficiente de transmitância, não se tirando partido do efeito provocado pelo fenómeno "greenhouse effect".

Os valores de transmitância são influenciados pelo o ângulo de incidência da radiação directa. O gráfico seguinte apresenta a evolução do coeficiente de transmitância para diferentes ângulos de incidência, para três tipos coberturas transparentes: cobertura simples de vidro, cobertura dupla de vidro e para cobertura de plástico.  De salientar apesar de as coberturas reduzirem as perdas de calor do colector, reduzem também a quantidade de radiação solar incidente na superfície do colector.

Para se melhorar as performances da cobertura de vidro depositasse uma camada transparente na superfície desta, a qual permite que toda a radiação solar incidente seja transmitida e para além disso reflecte qualquer radiação com elevado comprimento de onda para superfície do colector. Geralmente é usado Óxido de Índio e óxido de estanho. Para se reduzir consideravelmente a emissão de radiação com grandes comprimentos de onda da superfície do colector, é efectuado um tratamento, que não afecta a absorsevidade deste para radiação de baixos

comprimentos de onda. Este tipo de superfícies tem o nome de superfícies selectivas. A redução desta perda de energia tem uma influência incrível no aumento da temperatura da superfície do colector. Qualquer redução de

perdas de energia melhora o rendimento deste tipo de superfícies e de uma forma geral contribui para o aumento de energia colectado. Na tabela seguinte é possível observar os resultados obtidos para diversas superfícies selectivas sujeitas a diferentes tratamentos. 

2.5 - Materiais dos colectores/concentradores

Todos os componentes e materiais utilizados num colector solar devem ser projectados de maneira a operarem nas piores condições. Devem estar preparados para suportar não só elevadas temperaturas, em períodos em que a radiação atinge valores máximos, sem que se escoe nehum fluido nos tubos, como também para baixas temperaturas, que usulamente ocorrem no Inverno. Problemas resultantes da variação ciclica da temperatura ou grandes

gradientes de temperatuta no interior do colector devem ser tomados em consideração na selecção do material. Este factor é importante para a determinação do real valor de um equipamento.

A maioria dos sistemas de aquecimento solar é constituído por mais do que um metal em contacto com o fluido. Os tubos que permitem a circulação do líquido podem ser de cobre ou em aço inoxidável e a placa que colecta a radiação solar incidente pode ser construída em cobre, aço inoxidável, aço temperado ou em alumínio.

A presença de vários materiais nestes sistemas e devido ao contacto permanente com água, poderá ser um importante mecanismo para o aumento de corrosão nos colectores. O outro factor que também contribui para o aumento da corrosão à presença de oxigénio dissolvido no fluido aquecido. 

3 - Tipos de concentradores

3.1 - Concentradores parabólicos Compostos (CPC)

Existem diversas abordagens possíveis para o formato dos colectores condicionadas pelo tipo de aplicação que se quer ter. O aumento da eficiência total de absorção de calor, especialmente para aplicações em que a diferença de temperaturas entre o fluido e o ambiente é elevada, é bem possível, sem que existe um aumento da complexidade e consequentemente dos custos do colector. Para aplicações em que apenas são exigidos pequenos aumentos de temperatura é dada maior ênfase ao design deste de maneira a que o retorno de investimento seja o menor possível (aproximadamente de 5 anos, ou até menos).

Para a maioria dos esquemas de aplicação, a radiação solar deve estar concentrada de maneira a se obter elevadas temperaturas. Isto é possível de diversas maneiras, utilizando diferentes sistemas, no entanto seria

consideravelmente vantajoso caso o sistema requerido fosse estacionário. Dentro da gama de concentradores solares planos existe um tipo extremamente importante e por isso muito utilizado, originalmente chamado colector ideal cilíndrico (Ideal Cylindrical Light Colector), o qual foi foram desenvolvido em meados da década de 70 do século XX, por Winston(1974). A concepção básica deste colector é mostrada na figura seguinte e é conhecida por concentradores parabólicos compostos.

Um Concentrador parabólico é a forma bidimensional mais simples possível e consiste num sistema em que duas parábolas estão adjacentes a um dos lados das células solares. Para um determinado ângulo ( uma concentração óptima é obtida. Desta forma a eficiência de absorção de radiação difusa é muito maior relativamente aos colectores normais. O suporte físico que sustenta esta afirmação está patente na figura seguinte. Os raios reflectidos no lado direito da parábola são focados na base do lado esquerdo e vice-versa.

Dado que as perdas térmicas são proporcionais à área do absorvedor, a concentração da radiação solar permite ter um absorvedor com menor área, para a mesma área de vidro. A concentração pode ser definida por:

Logo como cosequência da diminuição das perdas tèrmicas, é possível obter temperaturas mais elevadas com melhor rendimento. Esta é a grande vantagem em relação aos colectores covencionais. Como se pode facilmente verificar, nos colectores planos a radiação solar é absorvida pela placa negra. No entanto esta tem uma área de superficie igual à do vidro pelo que a concentação é menor.

Poderão existir concentradores parabólicos compostos acoplados a um sistema que permita acompanhar a trajectória do Sol ("Tracking System"), aumentando a eficiência do colector.

3.2 - Colectores em espiral ou "concha"

Outro tipo de superfícies de absorção, que se poderá considerar numa extensão dos concentradores parabólicos, pois cada secção também tem um lado parabólico, diferenciando-se apenas no reflector circular que se encontra no final desta, podem e devem ser considerados. Como o próprio nome indica, um colector em espiral contem uma secção em espiral que impede que a radiação directa que entre nesta seja reflectida para o exterior. Esta é continuamente reflectida até atingir a secção de absorção. A secção de absorção é circular.

Este formato foi idealizado de maneira a que a toda radiação reflectida entre no colector pela parte mais exposta, com o formato parabólico e que seja na totalidade captada pelo tubo de absorção, não sendo por isso possível a sua reflexão para o exterior. 

3.3 - Colectores evacuados

Uma abordagem alternativa para a redução de perdas de calor para colectores de placa planas, nomeadamente para aplicações em que se requer água a elevadas temperaturas, tipicamente numa gama de temperaturas que varia entre os 80ºC a 150ºC, é utilizar de colectores evacuados. Num colector evacuado a luz solar atravessa a superficie de vidro exterior do concentrador e sendo colectado no tubo absorvedor , transformando-se em calor. A energia calorifica é transferida para o líquido por convecção através dos tubos de absorção. Um colector deste tipo é constituido por uma série de tubos de vidro transparente colocados paralelamente, nos quais estão inseridos os tubos de absorção revestido scom uma camada selectiva. Estes colectores têm uma caracteristica modelar, pois pode-se adicionar ou remover tubos consoante a temperatura a que se quer a água quente.

Ao se construir os concentradores evacuados, o ar entre estes é retirado criando vacuo entre eles, eliminando-se assim perdas por convecção e condução. Poderão existir perdas por radiação, pois a energia calorifica irá ser transferido de uma superficie quente para uma superficie fria, mesmo com vacuo. No entanto estas perdas são muito pequenas e traduzem-se em pequenas consequencias quando comparadas com a transferência de calor que ocorre entre o tubo de absorção e o líquido. 

Existem disponíveis no mercado diversos concentradores com diferentes designs. Uns apresentam um terceiro tubo no interior no tubo de absorção ou até configurações diferentes dos tubos. Existem também diponivéis no mercado concentradores cujos tubos têm a capacidade para 19 litros cada um, evitando-se assim necesidade de um tanque de armazenamento. Reflectores colocados atrás dos tubos evacuados ajudam a focar a luz solar, contribuindo para o aumento da performance do colector.

Estes colectores têm melhores eficiências do que simples colectores planos devido a uma série de razões. Uma das quais está relacionada com possibilidade de os concentradores evacuados captarem tanto radiação directa como radiação difusa, caracteristica que combinada com o facto de o vacuo minimizar as perdas de calor para o exterior, torna estes colectores extremamente úteis em zonas de onde costuma imperar mau tempo(Céu nublado,...). A segunda razão prende-se com o formato dos colectores. Estes têm uma forma circular, o que permite captar a radiação directa durante quase a totalidade do dia, ao contrário dos colectores planos, que se encontram fxos e apenas têm radiação directa a meio do dia.

Por este motivos estes concentradores são mais caros que um simples colector plano.  3.4 - Concentradores parabólicos cilíndricos "Trough"

Os sistemas mais simples de concentradores parabólicos são os concentradores cuja forma é cilindrica e diferencia-se dos concentradores planos pela particularidade de concentrar a radiação incidente antes de esta chegar ao absorvedor. Estes são parabólicos somente numa dimensão e usualmente são alongados. Um concentrador parabólico cilíndrico é constituído por uma superfície espelhada encurvada de forma parabólica, que tem a função de encaminhar os raios solares para uma tubo de absorção.

Neste tubo circula o fluido, aquecido por covencção natural, sendo que esta circulação é efectuada através uma bomba auxiliar. Este fluido após atravessar o absorvedor é encaminhado para um permutador de calor, que permitir trocas de calor entre o fluido e água que se encontra armazenada num tanque de armazenamento térmico.

A razão pela qual este concentrador é cilíndrico é simples. Uma parábola é uma curva especial descrita pela seguinte equação:

y = Ax2 + Bx + C

e tem um único ponto focal, onde se coloca a placa de absorção, pelo que toda a luz incidente é colectada nesse ponto. Usando estes sistemas parabólicos maximiza-se a razão de concentração de um colector, aumentando por isso a eficiência deste, pois toda a energia é focada somente num ponto.

No entanto estes concentradores têm uma limitação. Um concentrador parabólico cilíndrico apenas capta radiação directa o que, ao contrário dos restantes colectores, não permite fazer uso da radiação difusa. Entende-se por radiação directa a toda a luz que atinge o reflector paralelamente ao eixo da parábola.

De forma a minimizar a incapacidade de captar radiação difusa, é incluído neste equipamento um sistema que permite variar a posição do painel consoante a localização do fonte solar, aumentando inevitavelmente a

performance do concentrador. No entanto, para certas condições climatéricas, como é o caso do céu completamente enublado, não existe nenhuma solução que permita minimizar tal limitação, sendo por isso um factor crítico.

Para este tipo de colectores solares podem ser obtidas temperaturas acima dos 300ºC para boas eficiências. Esta tecnologia apenas é rentável para sistemas em grande escala (Campos de colectores), pois o investimento é relativamente elevado para a necessidade energética e potência requeridas numa pequena instalação, podendo até nunca ser amortizado. 

Estes campos são constituídos por muitas filas de concentradores parabólicos móveis orientados segundo a direcção Norte-Sul. O princípio é sempre o mesmo, no entanto o fluido aquecido serve para gerar vapor sobreaquecido a alta temperatura(100 bar, 370ºC) que posteriormente irá alimentar uma turbina/gerador para produzir electricidade. Depois do fluido passar pelos permutados de calor é arrefecido e recircula novamente pelos tubos de absorção. Nestas instalações o liquido é aquecido até uma temperatura próxima dos 400ºC. Existem vários tipos de instalações deste género nos Estados Unidos com potência da ordem dos 14 a 80 MW. De uma forma geral é possível observar como funcionam estas centrais através das imagens seguintes. 

3.5 - Concentradores parabólicos "Dish Collectors"

Este sistema de concentrador parabólico tem uma forma muito similar a um grande satélite, e é constituído por uma superfície, geralmente em alumínio ou prata, depositado em vidro ou em plástico, que reflecte a radiação incidente para uma outra superfície de absorção, mais pequena, a que se dá o nome de Focus, pois está situado no ponto focal.  As superfícies reflectoras são extremamente baratas, podem ser facilmente limpas e têm uma durabilidade

bastante aceitável. Neste aspecto e segundo os parâmetros de fiabilidade e durabilidade os espelhos prata/vidro, após alguns testes foram aqueles que demonstraram melhores performances, reflectindo cerca de 90% a 94% da radiação incidente nos espelhos, dependendo não só da espessura dos espelhos como de outros factores. Para se ter a noção de que tipo de reflectores que se usam, basta dizer que se são semelhantes aos usados para decorar as casas.

A forma mais comum para estes colectores é a parabólica. No entanto foi desenvolvido um outro tipo de concentradores, cuja forma é semelhante mais constituído por múltiplos espelhos de forma redonda, os quais utilizam uma técnica em que duas membranas, sendo uma delas reflectiva, criam vácuo no espaço entre elas, levando a que a superfície reflectiva crie uma forma esférica. A eficiência de reflexão deste tipo de espelhos é de 95%.  O receptor térmico pode ser uma série de tubos com líquidos refrigerantes, sendo os mais usuais hidródenio ou hélio. Estes tanto podem ser o meio de transferência de calor como podem também ser o fluido que fornece trabalho para um motor.

Estes colectores têm uma razão de concentração muito elevada, tendo por isso as maiores eficiências para

conversão de energia solar em energia térmica ou até mesmo em energia eléctrica. Para conversão de energia solar em energia eléctrica, é necessário um estágio intermédio, o qual transforma primeiramente a energia solar em energia mecânica e posteriormente em electricidade. Este sistema consiste na colocação de uma motor, e por isso se dá o nome de "Dish/Engine System", na superfície de absorção da radiação. É um sistema de elevada eficiência, autónomo e híbrido(pode funcionar a energia solar ou através combustíveis fósseis) e é caracterizado por ter uma eficiência de conversão de energia solar em electricidade de cerca de 30%, uma das mais elevadas utilizando esta

técnica de aproveitamento de energias endógenas. Existem dois tipos de motores usados neste tipo de sistemas: Stirling ou Brayton. Ambos colocam-se na superfície de absorção um pouco atrás do ponto focal para reduzir, em certa parte, a radiação incidente. No entanto o motor que maior eficiência apresenta na conversão de energia solar em alta pressão do gás oscilante, normalmente hidrógenio ou hélio, que se encontra no interior do motor é o

"Stirling", com uma potência de 25 KW. Na figura seguinte apresenta-se um esquema do ciclo de um motor "Stirling"

O fluido aquecido na placa de absorção é aquecido até altas temperaturas, nomeadamente até temperaturas

próximas de 750ºC. No entanto nos concentradores com maiores eficiências é possível a obtenção de um fluido com uma temperatura de 1000ºC. 

De maneira a captar a radiação solar directa de maneira a concentrar o máximo de energia solar na placa de absorção, é incluído um sistema autómato computado rizado que, tal como nos concentradores parabólicos

cilíndricos acompanha a trajectória do Sol. A única diferença relativamente aos restantes sistemas verifica-se no curso que o concentrador percorre, visto que, se no caso dos concentradores cilíndricos o movimento é

unidimensional, este movimenta-se bidimensionalmente.

Em termos de impactos ambientais, nomeadamente para sistemas de produção de electricidade, estes são muito reduzidos, mesmo quando os motores funcionam com combustível fóssil. A emissão poluentes é baixíssima bem como o ruído provocado pelo movimento inerente aos motores 

3.6 - Torres de Concentração

As torres solares de concentração de radiação solar servem para gerar potência eléctrica através de luz solar a qual é focada num permutador de calor(receptor de radiação) montado no topo desta. Estes sistemas usam centenas e por vezes milhares de painéis/espelhos, cujo nome técnico é helióstato, que reflectem a luz incidente para a placa de absorção a qual poderá atingir temperaturas que variam entre os 500ºC e os 1500ºC. Este tipo de aplicações é extremamente viável quando é necessário potências da ordem do 30 a 400 MW. 

Estes concentradores podem utilizar como fluido refrigerante a água e sal fundido líquido. A diferença e

consequente vantagem entre as duas opções existentes até ao momento deve-se ao facto de se poder armazenar calor de modo a prevenir os períodos de céu nublado e os períodos não solares quando se utiliza sal fundido. Este é constituído por 60% de nitrato de sódio e 40% de nitrato de potássio funde-se aos 700ºC e está num estado de líquido saturado a uma temperatura de 1000ºC. 

Num ciclo normal, em que o líquido refrigerante é sal fundido, o fluido é bombeado a uma temperatura de 290ºC de um tanque "arrefecido" para a zona de absorção de radiação onde é aquecido até temperaturas que poderão ir até 600ºC. Consequentemente, este é armazenado até ser necessária produção de energia eléctrica. Neste caso o sal aquecido é levado para um sistema de geração de vapor que produz vapor sobreaquecido, o qual irá alimentar uma turbina/gerador para produção de electricidade - Ciclo de Rankine. Finalmente o sal retorna novamente a tanque "frio" podendo ser outra vez reaquecido na placa de absorção.

Os painéis são ajustados de maneira a optimizar a eficiência anual da instalação. Um programa computacional calcula a posição do Sol e envia um sinal para os helióstatos a todo o instante. O programa actualiza a cada segundo a posição dos painéis pois só assim é possível que os raios atinjam um único ponto. Actualmente os helióstatos apresentam um custo elevado e são os itens que maiores encargos acarretam na instalação. No entanto têm-se desenvolvido técnicas de maneira a que estes encargos diminuam consideravelmente. Outros das soluções que permite diminuir o elevado preço deste produto é o aumento da produção anual dos painéis. O campo e a placa de absorção também são projectados consoante as necessidades de utilização. 

Numa instalação típica a energia solar colectada excede a necessidade de vapor sobreaquecido para alimentar a turbina. Este facto permite que enquanto se produz electricidade também exista armazenamento de energia. Esta "gestão" energética está patente no gráfico seguinte, o qual apresenta a evolução das curvas da energia

3.7 - Análise das eficiências de alguns colectores parabólicos

Nesta secção apresenta-se uma análise das eficiências de conversão e da capacidade anual dos diferentes sistemas de conversão de energia solar em eléctrica utilizando concentradores parabólicos. A capacidade anual de uma determinada tecnologia refere-se a fracção do ano que esta consegue transformar energia solar de maneira a satisfazer a potência requerida. Este estudo foi efectuado perante factos comprovados e sustentados, mas também segundo projecções baseadas nos dados dos ensaios aos protótipos e aos componentes que compõem cada uma das tecnologias.

Para sistemas de concentradores parabólicos cilíndricos ("Trough Concentrators"), que é uma tecnologia

amadurecida , foi demonstrado que é possível obter-se uma eficiência média anual de 12% com um pico de eficiência de 21%. No entanto com o desenvolvimento desta tecnologia, existem estudos que projectam uma eficiência média anual de 18%. Estes valores são efectivamente reduzidos, perante as projecções de alguma forma optimistas que se fizeram para sistemas que utilizam a tecnologia da torre de concentração e os concentradores parabólicos "dish". Segundo dados disponibilizados é atribuído uma eficiência média anual de 19% e 23%, respectivamente, para estes sistemas. 

Em termos de capacidade anual é notório a maior disponibilidade dos das torres de concentração de energia solar, sustentada pela facto de estas centrais terem a capacidade de armazenar energia e produzir energia

simultaneamente. Na tabela seguinte estão disponíveis as características de cada tecnologia de concentração de energia solar.

4 - Considerações na Instalação

Um sistema de conversão de aproveitamento da energia solar para aquecimento de água pode ser instalado e facilmente adaptado a qualquer tipo de espaço e de diferentes maneiras. A localização, montagem, inclinação, tipo de bomba e o tanque de armazenamento de água poderão variar de casa para casa consideravelmente. A questão fundamental será a escolha de qual será o sistema que melhor satisfaz os requerimentos propostos e que terá melhores performances.

Ao se instalar o colector e o tanque de armazenamento a principal consideração é a proximidade destes. Os tubos de circulação são a maior fonte de perdas de calor de todo o sistema, pelo que a distância entre estes dois componentes deve ser minimizada. No caso de um sistema passivo de termosifão, em que a circulação é efectuado por convecção natural, é essencial que o tanque esteja a um nível superior. Pelo contrário se a circulação de água é feita com auxílio de uma bomba, a escolha da localização do tanque torna-se mais flexível, podendo este ser colocado no local mais conveniente. 

No caso de a instalação consistir num colector cujo tanque é colocado por baixo da terra, o isolamento é consideravelmente melhor. Este facto deve-se ás qualidades de isolamento da terra por um lado, e pela menor distanciação que se consegue ter com esta configuração, limitando por isso as perdas de calor.

Relativamente à direcção e ao ângulo que a instalação deve ter em relação ao Sol, estas variam consoante a localização geográfica do sistema que se quer montar. Estes factores são de elevada importância,

fundamentalmente pelo facto de afectarem significativamente a eficiência do colector solar. Naturalmente o que se pretende é a maximização da quantidade de radiação absorvida no painel. Como regra geral, quando se está no hemisfério norte, o colector deve estar virado a sul, e vice-versa. 

O ângulo do colector varia segundo a latitude a que se encontra a instalação. Existem softwares que permitem essa determinação, optimizando desta forma a performance do colector. É recomendado que o ângulo do colector deve ser +/-10º da latitude a que se encontra a instalação. No caso de se estar em Halifax, na Nova Escócia-Canadá, a latitude à 45º, pelo que se pode montar o concentrador com um ângulo que poderá variar entre 35º e 55º. Para zonas em que os nevões são frequentes, é aconselhável que o painel tenha uma inclinação de 45º.

Para concentradores evacuados, o colector deve estar instalado para um ângulo de pelo menos 15º. Só assim é possível a obtenção boas performances na transferência de calor entre o tubo evacuado e o tubo do fluido. Para o caso dos concentradores parabólicos, utilizados ou em fase experimental, para produção de electricidade, existe um sistema que permite computacionalmente controlar a posição destes relativamente à fonte solar. Este sistema envia essa informação a todo instante para os concentradores para que estes estejam sempre

5 - Manutenção

A conservação de um bem está directamente relacionada com a longevidade e fiabilidade, que estão dependentes da qualidade da manutenção aplicada a um equipamento. Um concentrador tem normalmente um tempo de vida

compreendido entre os 20 e os 30 anos, sendo a proximidade do tempo de vida a cada um destes extremos dependente do tipo e qualidade de manutenção imposta ao concentrador.

A manutenção de um equipamento térmico, nomeadamente, de um concentrador solar, deve ser hierarquizada em segmentos distintos: periodicidade, manutenção exterior (normalmente simplista) ou interior (normalmente complexa). 

Nesta secção são evidenciados os procedimentos que deverão ser efectuados na manutenção de concentradores solares, nomeadamente nos concentradores evacuados e nos concentradores do tipo CPC, alguns dos procedimentos são gerais e aplicáveis a qualquer equipamento térmico, apesar do generalismo destes procedimentos a sua

importância é capital. 5.1 - Manutenção anual

Verificações externas: (inspecção visual, que poderão ser efectuadas no piso térreo, através de binóculos) - Inexistência de corrosão

- Inexistência de condensação permanente.

- Posicionamento dos parafusos e inexistência de algum  - Fios anti-passáros devidamente colocados.

- Colocação correcta do concentrador Verificações internas:

- Que o sistema está correctamente isolado

- Não existe nenhum dano nas condutas de água do concentrador - Não existem fugas de água evidentes

- A pressão de funcionamento do sistema, normalmente os concentradores contém um manómetro.

- Que todo o ar foi expelido do sistema (no caso de concentradores evacuados), observável através de um caudalimetro do concentrador.

- Todos os controlos eléctricos e sensores devem estar em perfeito funcionamento.  5.2 - Manutenção em cada 5 anos

Teste de anti-congelamento (deverá efectuado por uma pessoa especializada) 5.3 - Perda de Carga

Inicialmente a pressão de funcionamento deverá baixar ligeiramente após um período inicial, este abaixamento de pressão está normalmente associado à dissolução de gases na água. No entanto se existir uma variação de pressão considerável, as razões deverão ser:

- Se existir sobreaquecimento devido a inoperância da bomba que permite efectuar a circulação da água no

concentrador, quando existe algum corte de energia ou num período de férias. Este sobreaquecimento originará um aumento de pressão. O restabelecimento da normalidade deverá ser efectuado com a libertação de vapor de água pela válvula de retenção ou pelo respiradouro automático. 

- Se existirem fugas de água do sistema, existirá uma queda de pressão, que normalizará se a fuga for reparada. - Se existir uma expansão do reservatório, que é projectado para funcionar a uma pressão igual a 0.5 bar. A pressão do reservatório poderá ser verificada com um manómetro, que poderá ser colocado na válvula de retenção do

reservatório.

Principais razões que justificam a disfuncionalidade dos concentradores solares antigos: - Dano causado pela geada devido ao mau funcionamento do sistema anticongelamento. - Sensores de temperatura deslocados das posições correctas.

- Mau funcionamento das bombas de circulação.

6 - Bibliografia

McVeigh, J.C., "Sun Power, An Introduvtion to the Aplications of Solar Energy", Pergamon Press, 1977. Kreider, J.F., Kreith, F.,"Principles of Solar Engineering", Hemisphere Publishing Corporation.

Bisio, A., Boots, S., "The Willey Encyclopedia of Energy and the Environment", Volume II

http://search.nrel.gov/query.html?col=eren&qc=eren&qm=1&si=0&ht=815081754&ct=663223184 http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/overview.htm#dish http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/PDFs/solar_dish.pdf http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/pdfs/dishen.pdf http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/PDFs/solar_tower.pdf http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/Snapshot/STFUTURE.HTM http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/PDFs/solar_trough.pdf http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/Files/TROUGHS.PDF http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/Files/parabolic_trough.pdf http://www.eren.doe.gov/erec/factsheets/heat.pdf http://www.solarpaces.org/publications/sp99_tec.htm http://www.eren.doe.gov/femp/prodtech/sw_water.html#rightcol http://www.acre.murdoch.edu.au/refiles/lowtemp/text.html http://www.usembassy-china.org.cn/english/sandt/chihotwt.htm http://www.eren.doe.gov/femp/prodtech/pdfs/FTA_para_trough.pdf http://www.solarpaces.org/csp_technology.htm Equipamentos http://www.microenergie.com/collector/sk_400.htm http://www.etec-owl.de/solar/solarkolldat.htm#cpc http://www.etec-owl.de/solar/solarkollektor01.htm http://www.aosol.pt/Frame.htm http://www.digal.pt/Digal_P/k-series.html http://www.luzsolar.pt/ http://idtv.sapo.pt/empresas/servicos/prod_capat_dist/ http://www.guianet.pt/cat/576?session=ef9945dde9e33604e301ca039ec4d1f2 http://www.thermomax.co.uk/solar/english/index.htm http://www.caupel.pt/megasun/ http://www.vensol.pt/equipamentos.htm http://www.industrialsolartech.com/trghtech.html http://www.industrialsolartech.com/rmt.html

http://www.bredondalesolar.co.uk/solar_technology/index.htm http://www.focus-solar.com/FSCB.htm http://www.focus-solar.com/thermosiphon_collector.htm http://www.fafco.com/ http://www.heliocol.com/techinfo/pageone.html http://kingsolar.com/catalog/cat/collectors/index.html http://www.lightheat.com/thermomax.htm http://www.solarexpert.com/Catmodule.html http://www.solarexpert.com/siemens/SIEMENSST.html http://www.cheapestsolar.com/ http://www.heliocol.com/index.html